冀曉華 余世策 蔣建群

(浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058)

基于實用測壓管路頻響修正的風洞動態(tài)風壓測試★

冀曉華 余世策 蔣建群

(浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058)

通過對某廠房模型針對不同的測壓管路系統(tǒng)在邊界層流場中進行同步測壓試驗，對修正后的風壓系數(shù)時程與目標時程進行對比分析，驗證修正方法的可靠性。研究結果表明，采用風壓測試技術可以獲得較為準確的風壓系數(shù)時程，經修正的實驗結果可以用于工程實踐。

測壓管路，頻響函數(shù)，傅立葉變換，風壓系數(shù)譜，相關系數(shù)

1 概述

國外學者Irwin[1],Gumley[2，3],Holmes[4，5]等和國內謝壯寧等[6，7],周晅毅等[8,9]對于管路動態(tài)特性進行深入的研究，在包括管路頻響特性的理論預測、管路的優(yōu)化設計和管路頻響特性的改良等方面作了大量工作，大體上能達到以下共識：其一，在測壓管路中增加壓扁管或毛細管能改善測壓管路的頻響特性，但僅限于不太長的管路；其二，利用理論預測方法可以找到比較合適的管路系統(tǒng)，但所提供的優(yōu)化管路配管方案條件苛刻，很難在工程中應用；其三，采用頻響函數(shù)在頻域內進行修正是最為理想的方法，但管路頻響函數(shù)的計算非常復雜，且管路內徑精確測量難度大造成很大誤差。由于工程中涉及大批量測壓管路的測壓，且這些測壓管路多數(shù)較長，因此在頻域內進行修正是最理想的方法，本文采用自行設計的實驗裝置對工程中常用管路進行頻響函數(shù)的測試，采用實測的管路頻響函數(shù)并在頻域內進行修正，對某廠房模型針對不同的管路系統(tǒng)在邊界層流場中進行不同風向角下同步測壓試驗，對修正后的風壓系數(shù)時程與目標時程進行風壓系數(shù)均方根、系數(shù)譜和相關系數(shù)的對比分析，驗證修正方法的可靠性，本文的工作可為工程應用中動態(tài)風壓測試的頻域修正提供解決方案。

2 管路頻響函數(shù)測試和信號修正

2.1 典型管路參數(shù)

本文主要針對帶轉接的Scanivalve電子壓力掃描閥的測壓管路進行頻響函數(shù)測試，圖1是應用較廣的脈動風壓測試管路示意圖，它由安裝在被測物體表面的鋼管(G1)、導壓的PVC軟管(G2)、過渡鋼管(G3)、過渡PVC軟管(G4)、轉接件鋼管(G5)、壓力模塊輸入軟管(G6)等幾部分組成，G3～G6由實驗室裝備一般固定不變，G1～G2根據(jù)模型制作要求確定，接管時只需將模型上的軟管與過渡管連接即可，這樣的配管能大大提高測壓管的連接效率并降低轉接件的損壞幾率。本次試驗采用的各部分尺寸如表1所示，其中G2采用了四種長度，這樣配管總長分別為600 mm，900 mm，1 200 mm，1 500 mm，基本上可以涵蓋應用中的大部分情形。

表1 典型測壓管路尺寸表 mm

2.2 實驗裝置和測試方案

為了測試典型管路的頻響函數(shù)，本文研制了專用實驗裝置，其設計圖如圖2所示，其原理是利用信號發(fā)生器產生正弦波信號，通過功率放大器對信號進行放大，輸送到揚聲器發(fā)出確定的正弦波壓力信號，保持正弦波幅值不變并改變正弦波的頻率，在揚聲器對面安裝一塊平板，將不同的管路安裝在平板上，同時將一根非常短的皮管直接將測壓孔與模塊相連，由于短管在低頻段的頻響平坦，可以將短管測到的信號作為標準信號，從而得到被測管路的頻響特性曲線。

壓力測試采用的Scanivalve電子壓力掃描閥系統(tǒng)量程為±2 500 Pa，精度能達到±0.1%F.S.，采樣頻率最高達625 Hz。由于測壓點安裝位置非?？拷柯湓趽P聲器的聲場范圍之內，因此可以認為各測壓點的壓力變化完全一致，在測點與模塊的連接方式設計上采取了多點聯(lián)合掃描技術[10]，所謂多點聯(lián)合掃描技術就是將壓力完全相同的多個測壓孔通過同樣的管路連接到掃描閥模塊中掃描時間間隔相同的一系列傳感器上，將多點采集的數(shù)據(jù)序列按采集順序集合為一個序列，這樣可以大幅度提高采樣頻率。本文采取4點聯(lián)合掃描，將系統(tǒng)采樣頻率設為最高值625 Hz，相當于將采樣頻率提高到2 500 Hz，這樣就能夠采集到200 Hz高頻的完整正弦波信號。

2.3 頻響函數(shù)測試結果

首先觀察掃描閥采集到的壓力時程，圖3為短管測到的標準信號和G2=500 mm的管系測到的信號在50 Hz激振頻率的正弦波壓力激勵下測得的部分脈動壓力時程曲線和相應的擬合曲線，從圖3中可以看出，通過多點聯(lián)合掃描技術得到的壓力采樣結果非常符合正弦波的特征，一方面驗證了本文多點聯(lián)合掃描技術的成功，另一方面也表明本文研制的裝置能產生優(yōu)質的高頻正弦波。

白麗筠矜持地微笑起來，緩緩地說，我就是要用這個段子讓季經理、李老板兩人都光火，我就是要讓他們都怕我，從此不再理睬我?？墒牵疫@么做的最大理由是什么呢？

2.4 基于頻響函數(shù)的修正方法

當測得各管系的幅頻曲線和相頻曲線的實驗離散點后(見圖4，圖5)，在進行修正時首先要對這些離散點進行多項式擬合，以得到各管系頻響函數(shù)離散點最為接近的函數(shù)，分別以|H(f)|和φ(f)進行擬合，則頻響函數(shù)可表達為：

H(f)=|H(f)|[cosφ(f)+isinφ(f)]

(1)

則修正前測得壓力的傅立葉變換P0(f)和修正后壓力的傅立葉變換P1(f)之間的關系為：

P0(f)=P1(f)H(f)

(2)

因此修正后壓力時程p1(t)可以表示為：

(3)

其中，p0(t)為修正前測得的壓力時程；fft，ifft分別為傅立葉變換和傅立葉逆變換；real為復數(shù)的實部，當然上式同樣也適用于壓力系數(shù)時程的修正。

3 風洞試驗

3.1 試驗概況

本次試驗在浙江大學ZD-1風洞中進行，試驗對象為某工業(yè)廠房，該廠房長65.7 m，寬43.7 m，高19.2 m，試驗中采用1∶120縮尺比，在試驗前模擬出B類大氣邊界層流場，風速剖面和湍流度剖面模擬結果如圖6所示，由于本次試驗主要是為了對不同管系試驗結果進行對比分析并進行修正驗算，因此僅取了位于0°迎風山墻邊緣外表面的一個測點進行試驗，測點位置如圖7所示，隨著風向角變化這一點將從迎風面來流區(qū)到側向氣流分離區(qū)，最后到背風尾流區(qū)，因此選擇這個位置有一定的代表性。為了便于對比，在同一個測點位置安裝了五個測壓孔，這五個測壓孔位置非?？拷?，可以認為測得的風壓完全一致。將這五個測壓孔分別連接到掃描閥上，其中一個測壓孔通過非常短的皮管直接連接到掃描閥上，測到的結果作為標準結果，其他四個測壓孔采用表1中的四種管系連接到掃描閥上，試驗中取屋蓋高度處為參考點，參考風速為12.4 m/s，采樣頻率為625 Hz，采樣點數(shù)20 000個，試驗中每15°風向角記錄一次試驗數(shù)據(jù)，得到24個風向角的數(shù)據(jù)。

3.2 試驗結果分析

圖8和圖9分別為五個測壓孔測得的平均風壓系數(shù)和均方根風壓系數(shù)隨風向角的變化曲線，從圖中可以看出四種管系測得的平均風壓系數(shù)基本上與標準值完全吻合，僅平均風壓系數(shù)接近0時略有差異，這是傳感器的測量誤差引起的，而均方根風壓系數(shù)則差異較明顯，特別是風向角為75°測點處于氣流分離區(qū)時，由管路引起的脈動風壓與標準值的誤差最大，四種管系均方根風壓系數(shù)分別偏小0.018，0.025，0.047和0.06，相對誤差分別達到4.5%，6.1%，11.6%和14.7%，75°風向角下各管系測得的風壓系數(shù)譜如圖10所示，可見高頻部分能量衰減較為明顯。由此可見，由管路引起的信號畸變對脈動風壓測試的影響是不能忽略的，必須進行修正。

3.3 風壓系數(shù)修正效果

為了驗證基于頻響函數(shù)的修正方法，這里針對工程中應用最為廣泛的管系(G2=800 mm)，管路總長為1 200 mm。采用2.4節(jié)中的方法對風向角為75°時的測試結果進行頻域修正，圖11為采用該管系實測及修正后的風壓系數(shù)時程和采用短管直接測得的標準信號的部分時程對比圖，從圖11可以看出，修正前的風壓系數(shù)時程明顯滯后于標準信號，且幅值大部分也偏小，經修正后的風壓系數(shù)時程與標準信號吻合的較為理想，圖12為相對應的風壓系數(shù)譜對比圖，很顯然修正后的風壓系數(shù)譜與標準風壓系數(shù)譜幾乎完全重合，這表明本文的頻域修正方法在很大程度上修正了管路信號畸變引起的誤差。當然由于風壓脈動強弱的差異，不同風向角下的修正效果也會有所差異，為直觀了解這種差異，這里引入相關系數(shù)γ和均方根系數(shù)相對誤差ζ兩個變量來描述修正后的效果，其中定義相關系數(shù)γ為：

(4)

其中，xi為待分析風壓系數(shù)時程第i個數(shù)據(jù)；yi為標準風壓系數(shù)時程第i個數(shù)據(jù)，當x和y時程越同步，相關系數(shù)越接近1。另一方面，定義均方根系數(shù)相對誤差ζ為：

(5)

其中，σx為待分析風壓系數(shù)時程的均方根；σy為標準風壓系數(shù)時程的均方根，相對誤差表征的是待分析時程和標準信號脈動程度的相符性。圖13 為修正前后壓力系數(shù)時程與標準信號的相關系數(shù)隨風向角的變化情況，從圖中可以看出，修正前相關系數(shù)不高，最低僅0.55，而修正后的相關系數(shù)達到0.8以上，最高達到0.98，需要指出的是測點位于迎風區(qū)和氣流分離區(qū)時修正效果較為理想，而當測點位于尾流區(qū)時，修正效果欠佳，主要原因在于此時風壓脈動較弱，測試誤差相對較大；圖14為均方根系數(shù)相對誤差隨風向角的變化情況，修正后的均方根風壓系數(shù)明顯更接近標準信號，相對誤差除兩個風向角超過5%以外，其余均在±5%以內，可見通過在頻域內進行修正，得到的壓力脈動時程與標準信號更為貼近。

3.4 不同管系修正效果的對比分析

為了解對不同管系測得到結果的修正效果，這里將具代表性的0°，75°和285°三個風向角下的修正效果數(shù)據(jù)列于表2，可以看出，不同管系的修正效果均比較理想，修正后的相關系數(shù)均有大幅提高，且均方根系數(shù)的相對誤差更接近0，除了285°風向角下的均方根風壓系數(shù)修正結果的相對誤差略偏大外，其余均較為理想，由于尾流區(qū)均方根系數(shù)本身不大，略大的相對誤差對工程影響不大?？梢?，即使測壓管路總長達到了1 500 mm，采用本文的修正方法仍能得到比較理想的結果，管路長度影響不大。

表2 不同管系修正效果對比表

G2/mm風向角/(°)γζ/%修正前修正后修正前修正后200500800110000.930.95-1.460.79750.870.92-4.54-2.542850.690.77-11.4-1.6400.870.94-2.67-1.10750.880.93-6.12-4.492850.580.71-16.5-10.700.830.97-7.361.84750.840.91-11.6-2.102850.550.80-22.7-1.0900.810.92-10.9-1.01750.820.83-14.7-4.892850.540.61-26.311.4

4 結語

本文采用自行設計的實驗裝置對工程中常用管路進行頻響函數(shù)的測試，采用實測的管路頻響函數(shù)編寫了頻域修正程序，并驗證了修正方法的可靠性，在整個過程中得出以下幾點結論：

1)采用實測管路頻響函數(shù)進行動態(tài)風壓頻域修正方法是可行的，能大大提高動態(tài)風壓測試的精度；2)位于迎風區(qū)、氣流分離區(qū)的動態(tài)風壓修正效果較為理想，背風區(qū)動態(tài)風壓的修正效果略顯不足，但對工程應用的影響不大；3)針對本文采用的四種管系均可采用頻域內修正方法進行修正，管路長度對修正效果影響不大。

[1] Irwin H P A H，Cooper K R，Girard R.Correction of distortion effects caused by tubing systems in measurements of fluctuating pressures[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1979,5(1-2):93-107.

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Wind tunnel dynamic pressure testing based on the practical tubing system frequency response correction★

JI Xiao-hua YU Shi-ce JIANG Jian-qun

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

A plant model with different tubing system was tested in the boundary layer flow field, the modified wind pressure coefficient time histories were compared with the target time histories to validate the reliability of the correction method. Research results show that accurate wind pressure coefficient time histories can be obtained by using the pressure testing technology offered in this paper, and the revised experimental results can be used for engineering practice.

tubing system, frequency response function, FFT, wind pressure coefficient spectrum, correlation coefficient

1009-6825(2014)11-0032-04

2014-01-21★：國家自然科學基金(項目編號：50908208)

冀曉華(1981- )，男，碩士，助理工程師； 余世策(1978- )，男，博士，高級工程師； 蔣建群(1962- )，男，博士，教授

TU317.1

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